Содержание к диссертации
Введение
Акустика осадочных пород
Плоские волны в изотропных и анизотропных средах
Теория Гассмана флюидонасыщенных пород
Теория Био
Используемые системы регистрации и методика наблюдений
Направленные акустические приемники
Векторно-фазовый приемник Акустический комплекс с разнесенными приемниками
Лазерный интерферометр-деформограф
Характеристики сигналов
Особенности сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород
Геоакустическая эмиссия в условиях деформационной активности: период подготовки и развития сейсмических событий
Связь акустической эмиссии с геодеформационными процессами осадочных пород
Заключение
Список литературы
- Теория Гассмана флюидонасыщенных пород
- Векторно-фазовый приемник Акустический комплекс с разнесенными приемниками
- Геоакустическая эмиссия в условиях деформационной активности: период подготовки и развития сейсмических событий
Введение к работе
Актуальность проблемы
Настоящая работа посвящена исследованиям свойств и механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов. Геоакустическая эмиссия природных сред возникает, как правило[18-25], в виде отклика на деформационные изменения, однако их эффективность, зависящая от различных факторов, должна определяться для конкретных условий, что, несомненно, представляет интерес для решения многих прикладных задач геофизики.
В геофизике упругие колебания рассматриваются в сейсмическом (от 0,01 до 10 Гц)[38], высокочастотном сейсмическом (от 10 до 100 Гц)[46], сейсмоакустическом (от 100 до 1000 Гц)[39] и акустическом (более 1 кГц)[43] частотных диапазонах. Низкочастотные геоакустические сигналы, имеющие малый коэффициент затухания, могут приходить с больших расстояний, в то время как высокочастотная эмиссия формируется исключительно локально - вблизи пунктов ее наблюдения, поэтому ей как индикатору деформаций и предвестнику землетрясений уделяли мало внимания. В связи с этим исследования механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород представляет значительный интерес.
Исследования в этом направлении широко проводились с использованием одновременных акустических и деформационных наблюдений в скважинах и шахтах на глубинах, достаточных для исключения влияния атмосферных и техногенных факторов, а также в лабораторных условиях. В то же время для приповерхностных осадочных пород такие работы практически отсутствовали, поскольку считалось, что для них нельзя получить надежных результатов, как в связи с высоким уровнем помех, так и с нестабильностью их реологических свойств из-за сильного влияния внешних условий.
На начальном этапе работ по изучению высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород проводились наблюдения за интенсивностью сигнала в семи спектральных диапазонах с частотой дискретизации 0,25 Гц, выделялась и исключалась помеха от метеоусловий, исследовались интенсивные возмущения уровня геоакустической эмиссии в периоды подготовки сильных сейсмических событий на расстояниях в пределах примерно 200 км. С развитием средств автоматизации измерений и увеличением емкости накопителей информации появилась возможность регистрировать широкополосный акустический сигнал в режиме реального времени. Такой подход позволил оперативно анализировать не только изменения уровня сигнала, но и его структуры, которая несет информацию о характеристиках источников звука и определяющем их поле деформаций.
Актуальность изучения деформаций осадочных пород обусловлена их важной ролью во многих геофизических процессах, которые рассматриваются в сейсмологии, океанологии, горном деле и т.д. Широкий круг природных явлений в осадочных породах связан с их малой прочностью и высокой пластичность, которые существенно зависят от внешних факторов. Благодаря этим свойствам даже низкие напряжения в таких средах вызывают появление хорошо регистрируемых акустических сигналов, что и было обнаружено в ряде работ по исследованию геоакустических предвестников землетрясений, но как они связаны с характеристиками деформационного процесса, этот вопрос оставался открытым. Так же необходимо было выяснить, каковы масштабы этого процесса, и возможна ли связь деформационных изменений в пунктах наблюдений с источниками напряжений в областях, которые удалены на сотни километров.
Осадочные породы по эмиссионным свойствам противоположны коренным. В твердых кристаллических материалах акустические эффекты начинают заметно проявляться в области больших напряжений при достижении пределов текучести и прочности, а в осадочных породах даже при незначительных нагрузках возникает акустическая эмиссия. В средах с такими свойствами создаются благоприятные условия для проявления даже слабых деформационных изменений, поэтому они перспективны для размещения в них систем обнаружения и исследования предвестников землетрясений, проявление которых и обусловлено специфическими свойствами осадочных пород.
Приповерхностные системы наблюдений позволяют достаточно эффективно и без особых затрат получать данные для изучения геодеформаций с помощью акустических сигналов, что также стимулировало интерес к изучению свойств неглубоко залегающих осадочных пород. Но наряду с этим необходимы были исследования характеристик самих геоакустических сигналов в таких средах, поскольку до настоящего времени не было работ, посвященных анализу геоакустической эмиссии осадочных пород в широком диапазоне частот от 0 до 10 кГц и при хорошо контролируемых деформационных изменениях.
Геоакустическая эмиссия сопровождает многие геофизические процессы, например, фильтрацию грунтовых вод, диффузию газов, электрокинетические эффекты, генерацию электрических полей и т. д., поэтому результаты ее исследований будут полезны для специалистов очень широкого круга. В последнее время большое внимание уделяется роли акустических колебаний в процессах взаимодействия геосфер в условия повышения различных видов природной активности. Несомненно, что геоакустическая эмиссия, возникающая в результате литосферных деформаций, занимает очень важное место в системе этих взаимодействий.
Для решения задач по исследованию свойств и эффективности генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов использовался комплекс наблюдений, в который входили четыре системы регистрации геоакустических сигналов, лазерный деформограф, средства контроля метеопараметров, а также коммуникационная система сбора и передачи дал-ных. Этот комплекс в сочетании с системами наблюдений за изменениями активности в атмосфере и ближнем космосе позволяют решать широкий круг задач по исследованию процессов взаимодействия геосфер.
Цели и задачи работы
Исследование особенностей широкополосной геоакустической эмиссии поверхностных осадочных пород и её связи с деформационными процессами.
Создание комплекса наблюдений, включающего системы регистрации акустических сигналов, лазерный деформограф, средства контроля метеопараметров, а также коммуникационную систему сбора и передачи данных.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении обоснована актуальность исследований, определены цели и задачи работы.
Первая глава обзорная. В ней рассматривается различные теории генерации и распространения акустических волн в осадочных породах.
Во второй главе описываются характеристики и особенности систем регистрации и методика наблюдений, рассмотрены зависимости полученных данных от метеоусловий.
В третьей приводятся характеристики сигналов - формы, спектры, рассмотрена связь геоакустической эмиссии с деформациями осадочных пород, произведена оценка эффективности генерации геоакустической эмиссии.
В заключении приведены основные результаты работы.
Научная новизна работы
Впервые были выполнены одновременные акустические и деформационные измерения в осадочных породах, для этого был создан уникальный комплекс деформационных и акустических наблюдений с автоматизированной системой сбора и обработки данных. Впервые были выполнены исследования сигналов в спокойные периоды и на этапах подготовки сейсмических событий, а также во время самих землетрясений. Показана связь интен сивности акустической эмиссии со скоростью деформаций. Исследована эффективность генерации акустических сигналов в осадочных породах в условиях деформационных изменений. Определены авто и кросскорреляционные функции акустических сигналов и показаний деформографа, которые позволяют делать выводы о характере волновых деформационных процессов.
Основные положения, выносимые на защиту
о Акустические сигналы имеют импульсную форму и их амплитудно-частотное распределение аналогично закону повторяемости землетрясений Гуттенберга-Рихтера.
о Увеличение интенсивности высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород является следствием роста скорости деформационных процессов.
о Пространственные и временные корреляции звуковых сигналов и показаний интерферометра позволяют судить о волновом характере деформационных процессов.
о Интенсивные деформационно-акустические возмущения возникают, как правило, в периоды подготовки сейсмических событий и могут рассматриваться в качестве комплексных предвестников землетрясений.
Практическая ценность работы
Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ИКИР ДВО РАН, в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, проектов Президиума ДВО РАН №05-1-0-02-051, №06-1-П16-070.
Результаты исследования свойств геоакустической эмиссии и ее связи с деформационными процессами могут быть использованы в изучении тектонических процессов и взаимодействия геосфер, для создания методов локации областей повышенных напряжений и оценки уровня сейсмической опасности, в разработке акустических методов дистанционного зондирования природных сред.
Личный вклад
Автор работы проводил комплексные регулярные наблюдения, осуществлял сбор и обработку полученных данных, выполнял анализ акустических сигналов и исследовал их особенности, участвовал в теоретическом обосновании наблюдаемых эффектов. Собранные экспериментальные и теоретические материалы составили основу диссертации.
Результаты работы представлены на следующих конференциях: III международная конференция «Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений», с. Паратунка Камчатской обл., 2004 г.; Региональная молодёжная научная конференция «Исследования в области наук о земле», П-Камчатский, Камчатской обл., 2004, 2005, 2006 г.; III Всероссийский симпозиум "Сейсмоакустика переходных зон", Владивосток, 2003, 2005; Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2005), С.-Петербург, 2005; IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений» с. Паратунка Камчатской обл., 2007 г. V Всероссийский симпозиум "Физика геосфер", Владивосток, 2007.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 18 работ, 7 - в изданиях из списка ВАК, 4 из них - в центральных научных изданиях, и 11 - в трудах конференций. 1. Купцов А. В., Ларионов И. А., Шевцов Б. М., Особенности геоакустической эмиссии при подготовке камчатских землетрясений. // Вулканология и сейсмология. 2005. № 4. С.45-49.
2. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Рутенко А.Н., Шевцов Б.М. Геоакустическая локация областей подготовки землетрясений. // Доклады академии наук, 2006, т. 407. С. 669-672.
3. Долгих Г.И., Купцов А.В., Ларионов И.А., Овчаренко В.В., Марапулец Ю.В., Швец В.А., Шевцов Б.М., Широков О.Н., Чупин В.А., Яковенко СВ. Деформационные и акустические предвестники землетрясений.// Доклады академии наук, 2007, т.413, №1, С. 96-100.
4. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Краснописцев Н.В., Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Рутенко А.Н., Шевцов Б.М. Аномалия высокочастотных сигналов геоакустической эмиссии как оперативный предвестник землетрясения.// Акустический журнал, 2008, том 54, №1, С. 97-109.
5. Ларионов И. А., Шевцов Б. М., Купцов А. В., Экспериментальные исследования аномалий геоакустической эмиссии, соответствующей ранней стадии развития сейсмических событий/ЛЗестник. КРАУНЦ,серия науки о Земле, Петропавловск-Камчатский, 2004, №3 С.46-52.
6. Ларионов И.А., Щербина А.О., Мищенко М.А., Отклик геоакустической эмиссии на процесс подготовки землетрясений в разных пунктах наблюдений/ЛВестник. КРАУНЦ, серия науки о Земле, Петропавловск-Камчатский, 2005, №2 С. 108-115.
7. Щербина А.О., Мищенко М.А., Ларионов И.А., Аппаратно-программный комплекс мониторинга геоакустической эмис-сии//Вестник. КРАУНЦ, серия науки о Земле, Петропавловск-Камчатский, 2005, №2 С. 128-132.
8. Marapulets Y., Kuptsov A., Larionov I., Mischenko M., Sherbina A., Gordi-enko V.. Anisotropy of high-frequency geoacoustic emission at different stages of seismic event preparation. //XXIV General Assembly Of The International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG 2007), 2-13 July 2007, Perugia, Italia.
Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Щербина А.О. Геоакустическая система мониторинга и прогнозирования сейсмической активности на полуострове Камчатка. // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2005), - Сборник докл. С.-Петербург, 2005, т.2, СІ59-161. Ю.Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Шадрин А.В., Щербина А.О. Применение нейронных сетей для оценки возмущений геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений на Камчатке.// Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2006), - Сборник докл. С.-Петербург, 2006 , т.1,с238-240. П.Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Шадрин А.В., Щербина А.О. Нейронные сети на картах Кохонена в задачах оценки возмущений геоакустической эмиссии. .// Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2007), - Сборник докл. С.-Петербург, 2007, т.1,с.290-292.
12. Долгих Г.И., Купцов А.В., Ларионов И.А., Овчаренко В.В., Марапулец Ю.В., Швец В.А., Шевцов Б.М., Широков О.Н., Чупин В.А., Яковенко СВ. Деформационные процессы земной коры переходных зон Камчатского и Приморского регионов// IV Всероссийский симпозиум «Сейс-моакустика переходных зон» Владивосток 5-9 сентября 2005 г. С. 15-18.
13. Купцов А.В., Ларионов И.А., Применение гидроакустических систем в исследованиях геоакустической эмиссии Земли// Сб. трудов Камчат-ГТУ, вып. 14, Петропавловск-Камчатский, 2004. С 56-59.
14. Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М Отклик высокочастотной геоакустической эмиссии на увеличение сейсмической активности и процесс подготовки сильных землетрясений на Камчатке. Сборник научных трудов 3 международной конференции «Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений», -П.Камчатский, ИКИР ДВО РАН, 2004, 4.1 -С.71-82.
15. Купцов А.В., Богданова Т.А., Ларионов И.А., Шевцов Б.М., Шумилов Ю.С. Изменения характера акустической эмиссии Земли, соответствующие ранней стадии развития сейсмических событий //Сб. III Всг-росс. симпозиума "Сейсмоакустика переходных зон" Владивосток. 2003. С. 108-109.
16. Долгих Г.И., Купцов А.В., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Швец В.А., Шевцов Б.М., Чупин В.А., Яковенко СВ. О связи геоакустической эмиссии и деформационных процессов в осадочных породах // Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений : IV межд. конф., 14-17 авг. 2007 г., с. Паратунка Камч. обл.: [сб.докл.]. - П-Камчатский : ИКИР ДВО РАН, 2007.. С. 134-139.
17. Ларионов И. А., Марапулец Ю. В., Мищенко М. А., Щербина А. О., Шадрин А. В. Система реального времени для обработки сигналов геоакустической эмиссии. // Сб.докладов III Всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде Matlab», г. Санкт-Петербург, 23-26 октября 2007 г, С. 1435-1442
18. Купцов А.В., Ларионов И.А., Мищенко М.А., Марапулец Ю.В., Шадрин А.В.. Анализ возмущений геоакустической эмиссии, предшествующих сейсмическим событиям, с пространственно разнесенных станций наблюдения. //Геофизический мониторинг и проблемы сейсмической опасности Дальнего Востока России: Труды региональной научно технической конференции. Том 2/11-17 ноября 2007.. Петропавловск-Камчатский, ГС РАН, 2008, С. 181-185.
Теория Гассмана флюидонасыщенных пород
Многие осадочные породы состоят из пористого скелета, заполненного водой. Скелет может быть образован зернами, прижатыми друг к другу, под воздействием веса вышележащих пород и некоторого количества цементирующего материала. Скелет можно также рассматривать как непрерывную матрицу, содержащую связанные раствором каналы и пустоты, либо представляющую собой массу трещиноватых пород, в которых пористость обусловлена: трещинами между слабо смешенными блоками. Те редкие ситуации, когда поровое пространство насыщено газом или нефтью, представляет особый интерес в связи с возможным влиянием состава флюида на сейсмические скорости и другие свойства пористых пород. Также представляет интерес рассмотрение воды в качестве флюида, заполняющего поры, при изучении геоакустической эмиссии осадочных пород.
Чтобы решить данную задачу с наименьшим числом упрощающих предположений, Гассман [60, 61] предположил, что свойства скелета могут быть каким-то образом измерены, после чего он получил формулы соответствующих свойств породы, насыщенной любым флюидом с заданными параметрами. При этом он допустил, что любые относительные движения между флюидом и скелетом пренебрежимо малы по сравнению с движением самой насыщенной породы, что в целом оправдано для низких частот. Было также показано, что любая анизотропия скелета будет проявляться и для всей породы в целом. Для простоты рассмотрим ситуации, когда скелет со 18 стоит из упругого изотропного материала, и средние его характеристики также изотропны.
В теории Гассмана предполагается, что скелет состоит из однородного изотропного упругого материала с плотностью ps и модулем всестороннего сжатия ks. Сухой скелет имеет пористость Ф и среднюю плотность р, модуль всестороннего сжатия к, модуль сдвига р, и модуль плоского деформирования М. Флюид, насыщающий поровое пространство, имеет плотность pf и модуль всестороннего сжатия к/. Средние свойства флюидонасы щенной породы имеют плотность р, модуль всестороннего сжатия к, модуль сдвига р, и модуль плоского деформирования М. Задача состоит в том, чтобы выразить эти свойства насыщенной флюидом породы в терминах заданных свойств флюида и скелета.
Гассман предположил, что флюид и частицы скелета движутся вместе, поэтому плотность р получается простым усреднением двух плотностей: р = Фрг+(і-Ф)Рі (1.9) Было сделано также предположение, что флюид не оказывает такого воздействия на твердую фазу, которое могло бы изменить модуль сдвига скелета. Следовательно, Р = Р (1.10) Чтобы закончить описание флюидонасыщенной породы, требуется еще одна упругая константа. Гассман выбрал модуль всестороннего сжатия. Можно мысленно представить изолированный куб водонасыщенной породы, подвергаемый возрастающему напряжению Ар на всех гранях, приводящему к относительному изменению объема (AV/V). Взятые со знаком минус отношения этих величин представляют модуль всестороннего сжатия: Заметим, что поскольку сила, отнесенная к единичной площади флюидонасыщенной породы, представляет нормальное напряжение, то Ар - -р = -pyy = -р::. Если обозначить ту часть силы, действующей на скелет, которая удерживает его, чертой сверху, то Ар = -р хх = -руу = -р... Общее давление Ар это сумма давлений на скелет Ар и давления в жидкости Ар/ Ар = Ар + Ар, (1-12)
Так как модуль сдвига при насыщении флюидом не изменяется, скорость cs зависит от параметров флюида только через плотность, согласно равенству (1.9). Следовательно, скорость поперечных волн во флюидонасы-щенных средах несколько меньше, чем в пустом скелете. Из уравнения (1.16) следует, что модуль всестороннего сжатия флюида влияет на величину М через отношение Ф/kf. Влияние флюида должно уменьшаться с уменьшением пористости. Следовательно, величина к, зависящая от пористости, стремится к ks, когда пористость стремится к нулю. Для неконсолидированных песков величины Ф и к могут принимать такие значения, при которых скорость продольных волн исключительно сильно реагирует на содержание флюида.
Рассмотренная теория Гассмана базируется на предположении, что относительное движение жидкости и скелета имеет пренебрежимо малое влияние на распространение сейсмических волн во флюидонасыщенных породах. Это предположение можно обосновать для низких частот, но в теории нет указаний на то, какие частоты можно с достаточной уверенностью рассматривать как низкие. Более того, легко понять, что относительное движение флюида и скелета должно вызвать потерю энергии благодаря вязкости флюида, а теория Гассмана не дает никаких средств оценки соответствующего затухания волн. Теория Гассмана без сомнения применима к сейсмологии и, возможно, к сейсморазведке, но по-видимому, не применима в кило-герцовом диапазоне акустического каротажа и почти наверняка в мегагерцевом диапазоне при лабораторных измерениях.
Рассмотрим ниже более общую теорию, свободную от этих недостатков. Эта теория возникла при изучении поведения электрического потенциала во влажных почвах и звукопоглощающих материалах, используемых в атмосферной акустике. Первая работа в этом направлении принадлежит со 22 ветскому физику Я. И. Френкелю [42]. Основные работы Био появились в 1956 г. [51, 52], а в дальнейшем (1962 г.) теория была им расширена [49]. Явления отражения — преломления на плоских границах рассматривались Джирсмой и Смиттом [62], Дересевичем и Райсом [57], Гарднер [59] применил ее к распространению волн в пористых стержнях, а Розенбаум [70] —к акустическому каротажу. В ряде работ было сделано сопоставление с экспериментальными данными [62, 75, 69, 76]. Численные расчеты отражений от плоских границ были опубликованы Уайтом [75].
В рассматриваемой модели пористая среда состоит из скелета или агрегата, который в среднем изотропен и содержит флюид, заполняющий сообщающиеся между собой поры. Скелет выполнен из упругого материала. Средние напряжения, действующие на элементарный объем, определяются через отношение суммы сил, действующих на твердый материал и жидкость, к площади выделенного элемента. Деформации определяются через смещения скелета и флюида. Известно, что потенциальная энергия в элементарном объеме может быть выражена как квадратичная функция от компонент деформации, что ведет к связи деформации с напряжением для пористого материала. Аналогично, кинетическая энергия выражается как квадратичная функция скорости частиц в твердой и жидкой фазах, а произведения скоростей твердых и жидких фаз характеризует степень взаимодействия масс. Приравнивание сил, действующих на фиксированный элемент, ведет к системе двух дифференциальных уравнений в смещениях. Затем они разделяются на пару уравнений, содержащих только дилатацию, и пару уравнений, описывающих вращение. В случае невязкого флюида показывается, что в пористых средах распространяются два типа волн сжатия и одна поперечная волна, не испытывающие ни дисперсии, ни поглощения. Влияние вязкости флюида учитывается функцией дисперсии, которая предполагается пропорциональной квадрату относительной скорости между флюидом и скелетом. Константа пропорциональности зависит от вязкости флюида и проницаемо 23 сти скелета. Функция рассеивания представляет собой дополнительный член в каждом из волновых уравнений, что ведет к дисперсии и поглощению.
Векторно-фазовый приемник Акустический комплекс с разнесенными приемниками
В пункте наблюдений на оз. Микижа с 2004 года производятся измерения геоакустической эмиссии с помощью векторно-фазового комбинированного приемника, разработанного в ЗАО «Геоакустика»при ФГУП ВНИИФТРИ, который позволяет одновременно регистрировать три взаимно ортогональных проекции колебательной скорости и акустическое давление в диапазоне частот 0.01-10 кГц.
Под комбинированным приемником обычно подразумевается малогабаритная (условно «точечная») приемная система, включающая одновременно векторный приемник и приемник акустического давления. Приемник объединяет в себе сферический пьезокерамический преобразователь давления и трехкомпонентный пьезокерамический инерционный соколебательного типа диаметром 50 мм датчик градиента давления, рис. 2.5. Его принципиальная схема показана на рис. 2.6.
Преимущества векторно-фазовых методов в акустике проявляются в возможности определения направления на источник звука с помощью малогабаритной антенны. Отдельный канал векторного приемника является диполем, выходной сигнал которого зависит от направления прихода волны. Соотношения фаз сигналов во взаимноортогональных каналах позволяет определить вектор градиента давления. Здесь можно отметить полную аналогию с принципом работы пеленгатора в радиофизике.
Другая особенность точечной комбинированной приемной системы -возможность прямого измерения потока акустической энергии (мощности), т.е. выделения той ее части, которая обусловлена анизотропией поля, возникающей из-за наличия в среде сосредоточенных источников.
Одновременная регистрация компонентов поля и анализ амплитудно-фазовых соотношений сигналов позволяют определить характер движения частиц среды в волне (поляризационный анализ) и исследовать особенности источников звука.
Для повышения достоверности наблюдений и исследований пространственных характеристик источников геоакустической эмиссии, по методу триангуляции, использовалась автономная трехканальная акустическая станция «Шельф-03» (рис. 2.7). Система разработана в ТОЙ ДВО РАН, для мониторинга акустических шумов океана, под руководством доктора физико-математических наук Рутенко А. Н.[3]. Станция обеспечивает непрерывную запись акустических сигналов в полосе частот 1 - 15000 Гц с динамическим диапазоном не менее 96 дБ. В качестве преобразователя акустического давления применяются калиброванные сферические датчики, снабженные встроенным предварительным усилителем. Чувствительность по всему частотному диапазону составляет 50 мВ/Па.
Сигнал с датчиков подается на АЦП, а затем на цифровой накопитель, созданный на основе одноплатного промышленного компьютера Prometheus компании «Diamond Systems Corporation». Свинцово-гелевые аккумуляторы емкостью 115 А-ч обеспечивают непрерывную работу станции в течение 20 суток. 2.4. Лазерный интерферометр-деформограф
Для исследования причин возникновения геоакустической эмиссии выполнялись синхронные деформационные измерения земной поверхности с помощью лазерного интерферометра, разработанного в ТОЙ ДВО РАН под руководством член-корреспондента РАН Г. И. Долгих [12]. Деформограф был размещен в пункте комплексных геофизических наблюдений на р. Карымшина. Источником излучения служил частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер ЛГН-303, работающий на двух ортогонально поляризованных модах излучения и снабженный устройством электромагнитной частотной модуляции выходного излучения [28]. Долговременная нестабильность частоты лазера ЛГН-303 не хуже 2-Ю"9, а погрешность воспроизведения частоты лежит в пределах 1-Ю"7. Последняя характеристика лазера, согласно формуле Sv/v = SLIL — , где V - частота лазера, a L — длина измерительного плеча интерферометра, определяет погрешность измерения интерферометром относительных деформаций Є. Эта величина не превышает оцененного по акустическим данным диапазона деформационных возмущений 10 —10" , при которых возникают геоакустические аномалии [23].
Лазерный деформограф был установлен на поверхности земли с удалением 70 м от акустической системы на обсадных трубах двух пятиметровых сухих скважин, разнесенных на 18 м (длина измерительного плеча интерферометра). Опорное плечо составляло 0.1 м.
База интерферометра была укрыта деревянной галереей, но вакуумиро-ванный световод для проводки лазерного луча не использовался. Это приводило к влиянию вариаций метеорологических условий на показания деформогра фа по уровню 10 на часовых интервалах времени, но не мешало измерениям на меньших временных масштабах, поскольку характерные длительности акустических аномалий составляют десятки минут, а периоды флуктуации излучения - секунды. Система регистрации деформографа имела частоту дискретизации 800 Гц, что обеспечивала необходимое быстродействие устройства. На рис. 2.8 показана общая схема интерферометра, его чувствительность, которая определяется системой регистрации, была не хуже 10 1.
Схема лазерного деформографа-интерферометра. / - He-Ne-лазер, 2 -коллиматор, 3 - плоско-параллельная пластина ПИ-100, 4 - плоскопараллельные юстировочные зеркала на пьезокерамических цилиндрах типа PZT фирмы Clevite, 5 - фотодиод ФД-24К, 6 - световод, 7 - триппельпризменный отражатель, РУ - резонансный усилитель, СД - синхронный детектор, УМ - усилитель мощности, ЛЗ - линия задержки, ДИУ - дифференциальный интегральный усилитель, ССУ - система сброса уровней, ГОЧ - генератор опорной частоты, РА -регистрирующая аппаратура. На рис. 2.9 показано влияние метеоусловий на работу деформографа. Существенный вклад дают изменения атмосферного давления, в меньшей степени -температура. Эти помехи легко убираются с помощью фильтрации.
Геоакустическая эмиссия в условиях деформационной активности: период подготовки и развития сейсмических событий
С помощью деформационных и геоакустических наблюдений в осадочных породах на заключительной стадии подготовки землетрясений производились исследования механизмов генерации упругих колебаний в диапазоне частот 0-10 кГц.
Повышение интенсивности высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах на существенном расстоянии от эпицентров сейсмических событий обусловлено ростом локальных напряжений, характер изменения которых в связи с этим эффектом остается все еще невыясненным. В настоящей работе в целях исследования механизмов генерации геоакустических шумов в килогерцовом диапазоне частот рассматриваются особенности локального поверхностного деформационного процесса на завершающей стадии подготовки удаленных сейсмических событий.
Большинство сейсмических событий примерно за сутки сопровождается повышением уровня высокочастотных геоакустических шумов. Такие свойства шумов можно объяснить высокой чувствительностью геоакустической эмиссии к деформационным процессам, возникающим в период подготовки землетрясений. Для исследования данных эффектов были выполнены непосредственные измерения деформаций земной поверхности одновременно с геоакустическими наблюдениями в период активизации сейсмического процесса.
Совместная работа двух систем измерений проводилась в январе - феврале 2006 г. и в декабре - мае 2007 г. За это время был зарегистрирован ряд сейсмических событий разного класса, но явные аномалии, приуроченные к землетрясениям, зафиксированы только в двух случаях, что, возможно, объясняется сильной разрядкой напряжений, произошедшей после катастрофического землетрясения в КАО 20.04.2006 г. В феврале 2006 за трое суток произошло 6 землетрясений более 10 класса (рис. 3.17). Кружки обозначают место расположение эпицентров землетрясений, отмеченных стрелками. Все события зарегистрированы обеими системами регистрации, как показано на рис. 3.18-3.23, где акустический сигнал представлен в частотном диапазоне до 10 Гц, а деформационные изменения не превышают 2 мкм, причем эта величина и вид деформации зависит от энергетического класса, расстояния и глубины гипоцентра. Как видно, из приведенных рисунков большинство регистрируемых сейсмических событий производят эффект сброса напряжения в осадочных породах, что соответствует увеличению измерительного плеча деформографа-интерферометра.
На рис. 3.26 представлены амплитуды акустической эмиссии с восточного направления в семи частотных диапазонах и показания деформографа за период с 13 по 18 февраля 2006 г. Стрелками показаны моменты времени сейсмических событий. С северного, южного и вертикального направлений характер акустических сигналов был аналогичным, отличаясь только по амплитуде.
Согласно рис. 3.26, 14 февраля наблюдался быстрый рост деформаций, начало которого сопровождалось существенным повышением акустической эмиссии в течение суток. Надо отметить, что на показания деформографа, кроме метеопараметров, существенное влияние оказывает несовершенство системы регистрации, которое проявляется в виде трендовой составляющей. Поэтому аномалии в показаниях деформографа лучше наблюдаются после дифференцирования временной зависимости деформаций, чем на графике самих изменений, рис. 3.24 и 3.25. График производной роста деформаций показывает, что интенсивный рост амплитуды в акустическом сигнале начинается одновременно с ростом деформаций. Но после того как деформограф зафиксировал резкое изменение деформации, амплитуда геоакустического сигнала упала до фонового уровня и в последующем не увеличивалась, хотя график производной показывал дальнейший рост деформаций. Это говорит о сложной зависимости генерации геоакустической эмиссии, как от уровня, так и от скорости деформаций, которые вызывают подвижки в горных породах, в то время как сам механизм генерации акустических сигналов связан с растрескиванием и абразивными эффектами.
Зарегистрированное землетрясение: а) акустический сигнал, б) показания деформографа. Со второй половины суток 15 февраля скорость роста деформаций значительно понизилась, но интенсификация акустических шумов эпизодически возникала вплоть до событий 16-18 февраля. Для более детальных исследований связи геоакустической эмиссии с деформационным процессом, было решено поместить измерительный гидрофон 1П2М (рис. 3.28.) на опору, на которой расположен уголковый отражатель деформо-графа. Спектральная чувствительность измерительного гидрофона показана на рис. 3.29. Произошедшее сейсмическое событие 29 апреля 2007 года было зарегистрировано, как показано на рис. 3.30, Рис. 3.28. Измерительный гид .. рофон 1П2М всеми системами регистрации. Из рисунка r видно, что обе акустические системы регистрации позволяют осуществлять наблюдения за геоакустической эмиссией, и их показания идентичны. Разница по времени прихода сигнала объясняется рассинхронизациеи по времени систем регистрации. Для оценки расстояния до источника излучения, произведен расчет по времени прихода Р и S волн.
